Что такое квантовые компьютеры, для чего они и как действуют

На сегодняшний день некоторые устройства уже могут выполнять часть того на что будет способен в будущем полноценный квантовый компьютер, но в чем заключается его практическое применение? В этой статье мы постараемся обзорно раскрыть эту тему.

Квантовый компьютер является, точнее говоря, будет являться вычислительным устройством нового уровня, намного совершеннее любых созданных ранее. На сегодняшний день, некоторые устройства уже могут выполнять часть того на что будет способен в будущем квантовый компьютер. Прототипы квантовых компьютеров, или как их еще называют – прологи, являются первым шагом к созданию полноценного устройства.

Почему именно квантовые?

Представляется, что квантовые компьютеры будут отлично справляться с решением задач у которых сложность наращиваются экспоненциально по мере роста объемов данных и поэтому они трудно разрешимы или неразрешимы вообще при помощи обычных компьютеров.

Прогнозирование климатических изменений, обнаружение планет с условиями для проживания, вычисление способности иммунной системы уничтожать раковые клетки — самые сложные и серьезные проблемы на сегодняшний день можно будет решить за час при помощи квантового компьютера.

Устройство квантового отжига D-Wave 2000Q

Конечно, стоит учитывать, что результаты решения подобных задач не будут иметь строго детерминированного значения, а будут представлены в виде таблицы вероятностей, указывающей на наиболее успешные варианты. Но несмотря на это, современные высокопроизводительные суперкомпьютеры (HPC) не в состоянии высчитать даже подобные вероятности.

Каковы цели квантовых вычислений

Если вы когда-нибудь создавали макрос для Excel, то сталкивались со следующим — вам приходилось добавлять строки в конец листа, колонки которого служили вводными данными длинной формулы. И при каждом новом пересчете формулы время расчета увеличивалось. На медленных компьютерах это наблюдалось особенно сильно – по мере роста количества строк увеличивалось и время их расчета в геометрической прогрессии.

При написании программы для суперкомпьютера вы испытываете примерно то же самое. Масштаб, конечно же, немного другой, но эффект крайне схож. Наступает переломный момент, когда алгоритм, неважно насколько простой, становится непригодным для выполнения из-за огромного количества входных данных.

Вот с этим явлением и могли бы справиться квантовые вычисления. Полноценный квантовый компьютер сможет решать более сложные задачи, постепенно наращивая вычислительные мощности. В итоге, при увеличении шагов квантового алгоритма количество необходимого на выполнение времени будет увеличиваться незначительно до тех пор, пока временной разрыв между диаметрально различными приложениями не сойдет на нет.

Профессор Джон Прескилл, Калифорнийский технологический институт

Основной упор делается на понятия сложных и легких задач, — рассказал Джон Прескилл, профессор Калифорнийского технологического института, в своем выступлении в 2017 году, — В квантовом мире мы сможем размыть границу между понятиями сложный и легкий, между задачами, решаемыми в будущем с развитием технологий и якобы невозможными задачами.

Минусы квантовых вычислений

По правде говоря утверждение, что квантовый компьютер работает быстрее, чем ПК или сервер x86 не совсем верно. Программа для квантового компьютера работает иначе, чем любые нам известные программы. Преобразование математической задачи, понятной профессорам математики в двоичный код и преобразование той же самой задачи в программу для квантового компьютера отличается так же, как игры монополия и бильярд.

Существует несколько очень важных ограничений при работе с квантовыми вычислениями. Самое серьезное из них — решения задач практически никогда не будут 100% точными. Квантовый компьютер это не детерминированный конечный автомат, другими словами не будет единого решения, автоматически делающего прочие решения ошибочными, вместо этого квантовый компьютер выдаст ряд решений с соответствующими значениями вероятности.

И если для вас это все еще приемлемо, то есть еще одно ограничение — после исполнения программы  атомное устройство должно будет самоуничтожиться. Квантовый компьютер автоматически создает вычислительное устройство из атомов, поддержит рабочие условия для устройства на протяжении выполнения программы, запустит программу,  а затем отвернется (поскольку квантовые вентили очень застенчивы и взрываются при виде кого-либо), далее интерпретирует конечное состояние своих регистров в виде таблицы вероятности результатов, а затем перезагрузит себя для создания нового механизма с нуля.

Представьте себе, если бы устройство Алана Тьюринга, взломавшее нацистскую шифровальную машину Энигма, взрывалось бы каждый раз после взлома (на самом деле, квантовые инженеры предпочитают термин коллапс, но для удобства мы будем продолжать назвать это взрывом). И гениальному Тьюрингу пришлось бы создать автоматическую линию для производства подобных устройств каждый день из новых деталей. Но инженеры добились гораздо большего, чем обычное представление подобных вещей — они создали план подобного устройства в квантовом масштабе.

Области применения квантового компьютера

Каково практическое применение квантовых вычислений и могут ли они служить на пользу человечеству? Иными словами, какую функцию выполняет квантовый компьютер?

Медицина: Имея самые передовые технологии в области борьбы с такими болезнями, как болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз, ученые используют программное обеспечение, которое моделирует поведение искусственных антител на молекулярном уровне. В прошлом году нейробиологическая фирма Biogen, совместно с консалтинговой компанией Accenture и канадским разработчиком ПО для квантовых вычислений 1QBit, приступила к созданию новой молекулярной модели, которую можно рассчитать как на обычных платформах, так и на современных и будущих квантовых системах. Одной из методик, разработанных исследователями 1QBit, является перевод стандартных молекулярных диаграмм в графики, заполненные точками, линиями и кривыми, которые, несмотря на всю их запутанность, более точно отображают квантовую модель векторов и формул.

Навигация: У систем GPS и ГЛОНАСС есть ограничения по функционированию под землей /  водой / зданиях . Для работы квантового компьютера необходимы атомы в вакуумных и переохлажденных камерах, в которых они становятся особенно чувствительными. В попытке извлечь выгоду из этого, конкурирующие команды ученых пытаются разработать своего рода квантовый акселерометр, который мог бы очень точно отслеживать любое движение. Особенно далеко в этом продвинулась французская Лаборатория фотоники и наноструктур, которая пытается создать гибридный компонент, объединяющий квантовый и обычный акселерометр, а также высокочастотный фильтр  для разделения полученных данных. При успешном выполнении получился бы чрезвычайно точный квантовый компас без значительных погрешностей стандартных гироскопов.

Сейсмология: Те же самые чувствительные атомы могут использоваться для обнаружения залежей нефти и газа, а также оценки вероятной сейсмической активности в труднодоступных местах, где не работают обычные датчики. Об этом сообщает центр квантовых технологий обработки изображений QuantIC в Университете Глазго. В июле 2017 года,  QuantIC и поставщик коммерческих инструментов фотоники M Squared смогли продемонстрировать обнаружение квантовым гравиметром глубоко скрытых объектов путем измерения колебаний напряженности гравитационного поля. Если подобное устройство не только войдет в обиход, но и станет портативным, оно внесет неоценимый вклад в  прогнозирование сейсмических явлений и цунами.

Перейдем к более спорному вопросу — предположим, что кто-то создаст механизм, успешно преодолевающий проблемы квантовой физики. Что, по мнению экспертов в этой области, должен будет делать подобный полноценный квантовый компьютер, при условии, что он будет способен выполнять любые задачи, которые физики считали теоретическими, а ученые практически осуществимыми?

Профессор Ричард Фейнман, Калифорнийский технологический институт

Физика: Это поле деятельности очевидно. Вся концепция обязана ей своим существованием. Во время своего выступления в 1981 году в Калифорнийском технологическом институте, профессор Ричард Фейнман, отец квантовой электродинамики, предположил, что единственный способ смоделировать реальный мир на квантовом уровне — это создать оборудование, которое подчиняется законам квантовой механики. На том же выступлении профессор Фейнман объяснил, и весь остальной мир согласился с ним, что компьютеру будет недостаточно генерировать таблицу вероятностей, так сказать играть в рулетку. Более того, для получения результатов, которые сами физики не назвали бы сомнительными, потребуется механизм с тем же поведением, что и у его симуляционной модели.

Машинное обучение: Будучи уже тщательно протестированными в теории и симуляции, алгоритмы машинного обучения ждут того часа, когда квантовые компьютеры станут достаточно мощными, чтобы содержать в себе тысячи кубитов. Если вы не заснули, читая предыдущий абзац, то вы уже знаете, в чем кроется подвох — наши ЭВМ являются классическими вычислительными системами. Обычная математика может крайне схематично описать набор вероятных квантовых результатов в виде векторов. И в то же время, они не могут смоделировать достижение этих результатов, как и сказал Ричард Фейнман. Первые сомнения экспертов насчет квантового машинного обучения были высказаны в отчете совещания Массачусетского технологического института за октябрь прошлого года, организованного совместно с IBM, где было выявлено, что даже после появления квантовых компьютеров, может пройти еще несколько лет, прежде чем более надежные кубиты сделают возможным квантовое машинное обучение.

Дешифровка: Именно достижения в этой области заставили всех серьезно отнестись к квантовым вычислениям. Для современных компьютеров взлом зашифрованных данных все еще является непосильной задачей из-за необходимости перебирать гигантское количество чисел методом брутфорса (грубой силы). Квантовый компьютер сможет справиться с такой задачей в считанные минуты, что сделает криптографический алгоритм RSA неэффективным. В 1994 году профессор Массачусетского технологического института Питер Шор разработал квантовый алгоритм разложения больших чисел на множители, который ученые уже успешно протестировали на квантовых системах с небольшим количеством кубитов. Никто не сомневается в способности алгоритма Шора уничтожить всю текущую криптосистему с открытым ключом, когда станут доступны квантовые компьютеры с большим количеством кубитов.

Шифрование: некоторые считают, что в этой области можно добиться многого, например ИнфоТеКС. Метод квантового распределения ключей (quantum key distribution — QKD) может привести к тому, что открытые и закрытые ключи, используемые сегодня для шифрования сообщений могут быть заменены ключами с применением квантовой запутанности. Теоретически, любое третье лицо, взломавшее ключ и попытавшееся прочитать сообщение, немедленно уничтожило бы сообщение для всех. Это создало бы большую проблему, но теория действия QKD основывается на предположениях, которые еще необходимо доказать на практике: запутаны ли значения, полученные с помощью запутанных кубитов и подвержены ли они постоянному влиянию квантовых эффектов.

Состояние дел по производству квантовых компьютеров

Несмотря на усилия отдельных личностей, современная экономика остается глобальной. По сути, нет никакой гонки вооружений между странами по созданию первого полноценного квантового компьютера.

Частная организация D-Wave Systems Inc производит компьютеры, работающие на принципе квантового отжига, и имеет множество партнеров, в том числе правительственные учреждения США. Как заявляет D-Wave, ее новейшие модели компьютеров способны работать с 2048 кубитами, что значительно превышает заявленные мощности других исследователей. Несмотря на множество сомнений в том, что результаты достигаются при помощи квантовых вычислений, стоит отметить, что партнерами D-Wave в Лаборатории по изучению квантового искусственного интеллекта являются NASA и Google, а в Центре Квантовых Технологий — Lockheed Martin и Университет Южной Калифорнии.

Microsoft также поддерживает научно-исследовательские лаборатории в области квантовых технологий во всем мире, включая казалось бы такие мало интересные для Microsoft сферы, как субстраты для квантовых компьютеров. Компания финансирует и активно поддерживает исследования в области квантовых вычислений посредством своей лаборатории Quantum Architectures and Computing (QuArC). Для продвижения концепции квантовых алгоритмов, в декабре 2017 года Microsoft выпустила эмулятор квантового компьютера и набор средств разработки, в которые входит предметно-ориентированный язык программирования Q#. Все это можно скачать бесплатно и интегрировать в Visual Studio или VS Code.

Команда IBM Think Q работает в Исследовательском центре IBM имени Томаса Дж. Уотсона в Нью-Йорке

IBM тоже не осталась в стороне и заявила, что разработала несколько действующих квантовых компьютеров, которые пока ограничены 20-кубитными процессорами. По аналогии с Microsoft, у IBM есть свой набор средств разработки с открытым исходным кодом Qiskit и эмулятор 32-кубитного компьютера для проведения экспериментов по созданию квантовых алгоритмов. Планами компании на 2019 год является проведение квантовых экспериментов в Исследовательском центре IBM имени Томаса Дж. Уотсона [на фото выше] при помощи новейших экспериментальных материалов, созданных исследователями Принстонского университета и Висконсинского университета в Мадисоне.

Сокет прототипа квантового чипа Intel

Intel разрабатывает собственные квантовые вычислительные устройства, такие как 17-кубитный чип на фото. При этом технология их производства не будет существенно отличаться от изготовления обычных сверхпроводников. Хитрость в том, что Intel пытается найти замену стандартным сверхпроводящим кубитам, требующим переохлаждения, выпустив более термостойкие, которые компания назвала спин-кубитами. В июне прошлого года на производственной фабрике D1D, расположенной недалеко от Портленда, штат Орегон, был изготовлен прототип, который, по утверждению компании, способен выдерживать температуру в -460℉ (-273 ℃). Однако такой чип пока нельзя считать полноценным квантовым процессором.

В апреле 2016 года Европейский Союз запустил проект под названием Quantum Technologies Flagship для поддержки научных исследований в области квантовых вычислений по всей Европе. В октябре прошлого года, в рамках данного проекта, было объявлено о запуске более 20 проектов, среди которых проект по созданию квантового интернета Quantum Internet Alliance (QIA). Основой квантового интернета является феномен запутывания, обеспечивающий мгновенную передачу кубитов между объектами.

Криостат квантового компьютера, собранного в НИТУ «МИСиС»

В НИТУ «МИСиС» разработали первый в России прототип квантового компьютера. Устройство на двух кубитах выполнило квантовый алгоритм Гровера, превысив ранее известный предел точности на 3%. В качестве основы для кубитов были взяты сверхпроводящие материалы. Работы по созданию квантового компьютера осуществляются в рамках проекта Фонда перспективных исследований и ведутся в НИТУ «МИСиС» с 2016 года под руководством Валерия Рязанова, главного научного сотрудника Лаборатории сверхпроводящих материалов университета. Конструкция предполагает использование в качестве основы для кубитов сверхпроводящие материалы.

Так что-же такое квантовый компьютер

Термин компьютер применяется просто для удобства, но квантовый компьютер совершенно не похож на портативное устройство или сервер с процессором и памятью. Чарльз Бэббидж или Джон фон Нейман представляли его, как механизм для получения определенного результата при заданных входных данных и конфигурации. Одна логическая единица на микроуровне такого устройства это то, что эти ученые назвали бы компьютером.

Современные компьютеры управляют электронами на основе булевой (двоичной) логики по которой для любых двух конкретных входных состояний есть только одно определенное выходное состояние. В классических вычислениях бит — это единица информации, которая может существовать в двух состояниях — 1 или 0. В обычном полупроводнике эти два состояния представлены низким и высоким уровнем напряжения в транзисторе.

В квантовом компьютере все работает иначе, он состоит из кубитов, которые могут находиться одновременно в обоих состояниях 0 или 1 (то есть 0 и/или 1, что мы рассмотрим ниже). Вместо транзисторов, квантовый компьютер получает свои кубиты при помощи воздействия перпендикулярных магнитных полей на атомы в результате чего упорядочиваются и разделяются ионы. Когда пространство между ионами становится достаточно большим их орбитальные состояния становятся домом для кубитов.

Если для обычного компьютера главное — это напряжение, то квантовый компьютер связан с моментом импульса элементарных частиц, имеющим квантовую природу, а именно со спином (с угловым моментом импульса электрона). Мы применяем термин квантовый на субатомном уровне, поскольку мы наблюдаем неделимость, к примеру, количества энергии в фотоне (частице света). Спин тоже является одной из подобных неделимых единиц, представляющих из себя угловой момент импульса электрона во время вращения вокруг ядра атома. Спин электрона  может быть направлен вверх или вниз. Верхние и нижние состояния электрона соответствуют 1 и 0 двоичной системы.

На этом резко заканчивается всякая логика квантовых вычислений и мы попадаем в причудливую вселенную, живущую по одним, только ей известным законам.

Кубит поддерживает квантовое состояние одного электрона. Пока никто не смотрит, он может одновременно принимать значения 1 и 0. Но если посмотреть, он немедленно прекращает действие и вы ничего не увидите (так и есть, на самом деле). Тем не менее, был доказан факт, что электрон может вращаться в обоих направлениях. Квантовая механика определяет суперпозицию как сумму двух состояний электрона. Мы не можем наблюдать электрон в состоянии суперпозиции, потому что само наблюдение задействует обмен фотонами, который неизбежно приводит к коллапсу суперпозиции.

Есть несколько возможных состояний суперпозиции, поэтому для суперпозиции каждый последующий кубит более важен, чем предыдущий — в регистре из n кубитов число возможных состояний суперпозиции для каждого кубита равно 2^n. Из истории двоичных компьютеров мы помним, что при переходе с 16-разрядных процессоров на 32-разрядные, максимальное значение целого без знака увеличилось с 65 535 до 4 294 967 295. В квантовом компьютере регистр размером в 32 кубита будет иметь 4 294 967 296 возможных состояний суперпозиции.

Почему это так важно, если конечное состояние в любом случае будет 0 или 1 при обычном взгляде на процесс? Потому что до коллапса каждое из этих состояний будет являться допустимым вероятным значением. Пока квантовый процессор окутан ореолом таинственности, то есть пока ему никто не мешает, он способен выполнять алгоритмические функции, которые больше похожи на валики разностной машины Чарльза Бэббиджа, чем на двоичные значения – за исключением того, что настроек может быть миллиарды, а не 10.

Вместо гигантских валиков, квантовые инженеры нашли лучший способ представления состояний кубитов. В частности, они позаимствовали его у американского физика швейцарского происхождения Феликса Блоха, который получил Нобелевскую премию по физике в 1952 году за открытие принципа ядерного магнитного резонанса.

Представьте себе бильярдный шар с одной точкой и проведите воображаемую линию от внутреннего центра шара к центру точки наружу в виде вектора, это и будет сфера Блоха, показанная на изображении. Каждое состояние суперпозиции кубита можно представить в виде вектора в сфере Блоха, описанного двумя угловыми параметрами X и Y сферы. В обычной геометрии вектор может быть выражен как косинус угла к оси Z плюс синус угла к оси Z.

На что похожа квантовая программа

Для написания программы для квантового компьютера  вам нужно представить кубиты в состоянии суперпозиции. В действительности же, процесс наблюдения за суперпозицией приводит к декогеренции кубитов – их возвращению в классические состояния 0 или 1. Работа на квантовом компьютере неизбежно приводит к декогеренции, обычно через несколько минут или, если вам повезет, через час.

Смысл программы заключается в том, чтобы успеть, пока никто не смотрит, задать направление всех этих биллиардных шаров до их декогеренции. Есть два типа квантовых программ с противоположным принципом действия.

Программа, использующая квантовые вентили, следует первоначальному принципу Ричарда Фейнмана, что в квантовом пространстве существуют и другие формы логики. В двоичном компьютере логический элемент И или ИЛИ будет принимать два дискретных входа в битах и давать один определенный выход. При помощи вентилей в квантовой схеме, аналоге обычной электросхемы, несколько кубитов могут быть использованы в качестве входных данных, а результатом может быть некая форма состояния суперпозиции, которую можно представить в виде математических значений при помощи сферы Блоха, включая комплексные значения.

Квантовые вычисления на основе квантового отжига, подобно тем, над которыми работает D-Wave, функционируют совсем по-другому. Вместо квантовой схемы, устройство для квантового отжига переводит формулы (называемые гамильтонианами), описывающие состояния квантовой системы в реальные физические состояния. В то время как любой квантовый компьютер может использовать один гамильтониан для описания начального состояния, устройство для квантового отжига использует последовательные гамильтонианы для отслеживания незначительных изменений в желаемом состоянии системы небольшими шагами до самого конечного состояния.

Каждый шаг «встряхивает» кубиты таким образом, что их состояние на последнем шаге представляет собой набор вероятностей, которые и формируют окончательное решение (один ученый сравнил это со встряхиванием шариков в коробке, только здесь каждое встряхивание идеально запрограммировано). Скептики обычно указывают на огромное отличие данной системы от того, что изначально предложил Фейнман и намекают, что система отжига не является настоящим квантовым компьютером, который, возможно появится еще не скоро. Следует заметить, что с подобными скептиками почему-то не заключают контракты NASA, Google или Lockheed Martin.

В НИТУ «МИСиС» квантовый компьютер работает на сверхпроводящих материалах, считается что это более совершенная система по сравнению с аналогами. Например, другими научными коллективами разрабатываются кубиты на отдельных атомах (которые могут «потеряться» из-за ничтожно малого размера) и на ионах (их можно выстраивать исключительно линейно, что физически неудобно). Созданные в НИТУ «МИСиС» кубиты сделаны из алюминия, имеют размер в 300 микрон, их нельзя «потерять», а еще можно выстраивать нелинейно.

Чип для квантового компьютера изготавливали в МГТУ им. Баумана, а его проектированием и запуском устройства занимались уже в НИТУ «МИСиС», где в лаборатории «Сверхпроводящие материалы» выстроен уникальный комплекс оборудования с криостатами, обеспечивающими работу при сверхнизких температурах, близким к абсолютному нулю.

Перспективы квантовой экосистемы

Даже когда будут созданы квантовые компьютеры, они не будут успешными без конкурентоспособной бизнес-модели. Чаще всего подобные системы описываются с такой помпезностью, что клиенты вроде как, должны очередями выстраиваться за подобным товаром. Но поскольку полноценный квантовый компьютер никогда не будет компактным (в отличие от сверхточного квантового компаса, изготовление которого кажется вполне реальной задачей), то единственный способ извлечения выгоды состоит в предоставлении услуг на его основе.

Это не будет похоже на квантовую облачную среду. Облачные вычисления подразумевают аренду вычислительных мощностей или облачных приложений. В квантовом мире об аренде не может быть и речи — строится гамильтонов цикл, запускается алгоритм или схема отжига, после чего рушится система и отображаются результаты вероятности. Время не имеет значения, решение сложной задачи может занять такое же количество времени, как и решение простой, поэтому поминутная аренда не имеет смысла.

Остается только вариант с оплатой за каждое готовое решение, по типу решений на основе бессерверных вычислений.

Бессерверные вычисления (англ. serverless computing) — модель облачных вычислений, в которой платформа динамично руководит выделением машинных ресурсов. Для выполнения каждого запроса создается отдельный контейнер, который уничтожается после выполнения.

Но поскольку результаты представляются в виде вероятностей, то есть не являются стопроцентными и подвержены изменениям, клиенты неизбежно будут сомневаться в целесообразности проекта. Если уж они платят за результат, то очевидно, что они не хотели бы получить кота в мешке, который может быть серым, а может быть и белым. В один момент, клиенты затронут такую тему, как гарантия и качество обслуживания.

Вероятней всего, владельцы квантовых компьютеров заинтересуют тех, кто захочет при первой же возможности разрушить криптографию на основе алгоритма RSA. Но для получения значительной прибыли производителям компьютеров этого явно будет недостаточно. Необходимо будет финансировать научно-исследовательские разработки, направленные на развитие и укрепление практик новейшей области, чтобы они тоже смогли внести свой вклад в решение ранее непостижимых задач, стоящих перед нашей планетой.

Если вам понравилась статья — оформите подписку и раз в неделю мы будем отправлять вам свежие ИТ новости, обзоры решений и другой, не менее интересный и содержательный контент.

Метки: Квантовые вычисления, Хочу знать